第三章-(惯性仪器测试与数据分析)测试方法

1惯性仪器测试与数据分析西北工业大学自动化学院严恭敏2015-092第三章惯性仪器的测试原理与方法主要内容：•一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试•二、陀螺仪静态误差的伺服转台测试•三、加速度计重力场试验3第三章惯性仪器的测试原理与方法主要内容：惯性仪器的测试陀螺漂移测试转台伺服试验：测定陀螺仪的长期漂移性能，模拟平台惯导系统工作状态力矩反馈试验，测定陀螺仪的短期漂移性能，模拟捷联惯导系统工作状态加速度计力矩反馈测试：使用精密分度头分离静态模型各项参数重点介绍：1g重力场内进行最简单和最基本的测试方法，获得惯性器件的基本性能参数，作为了解其它试验方法的基础4一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试1、重力场测试中单自由度陀螺仪静态漂移误差数学模型（1）重力场中的陀螺静态漂移值IETdiS,为力矩器刻度因素，单位º/h/mA；为再平衡回路采样电流，单位mA；为地球角速度在陀螺输入轴的投影分量。TSiIE,Eω（2）重力场中的比力值SOIgSOIggg若记则TT,,,,SOISOIgggffff（3）陀螺漂移测试数学模型222,SSSOOOIIIISSISOOSOIIOSSOOIIFIETgDgDgDggDggDggDgDgDgDDiS222SSSOOOIIIISSISOOSOIIOSSOOIIFdfDfDfDffDffDffDfDfDfDD5一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试2、极轴翻滚试验（1）极轴翻滚含义极轴——地球的自转轴，极轴翻滚——当转台的旋转轴与地球自转轴平行，转台旋转时，固定安装在转台台面上的陀螺各轴在重力场内周期性地改变方向，此即翻滚。Lieωg极轴翻滚台陀螺OS)(IO6一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试2、极轴翻滚试验（2）极轴翻滚受力分析Lieωg极轴翻滚台陀螺OS)(IOg陀螺OS)(ILLgcosLgsinpSpN由西向东看Lgcos陀螺IS)(OWENNLgcoscosNLgsincos由极轴北向南看缩略符号说明：E-东向、S-南向、W-西向、N-北向、U-天向、D-地向、Np-极轴北向，Sp极轴南向L-当地地理纬度（已知）NSONILggLggLggcoscossinsincos陀螺仪各轴比力：陀螺仪输入轴地球自转角速率：0,IE7一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试2、极轴翻滚试验NSONILggLggLggcoscossinsincos（3）极轴翻滚测试数学模型NSSOONIINNSINOSNIONSONIFNTLDLDLDLDLLDLLDLDLDLDDiS222222coscossinsincoscossincoscoscossinsincossincoscossinsincos取重力g的单位为一个重力加速度的数值进行归一化，即，则有1g222,SSSOOOIIIISSISOOSOIIOSSOOIIFIETgDgDgDggDggDggDgDgDgDDiS0,IE参考来源：8一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试2、极轴翻滚试验（3）极轴翻滚测试数学模型NSSOONIINNSINOSNIONSONIFNTLDLDLDLDLLDLLDLDLDLDDiS222222coscossinsincoscossincoscoscossinsincossincoscossinsincos整理成关于的傅里叶级数形式（去除相关性）NNNNNNNNNNNSSIINSINOSSNIOISSIIOOOFNTCSCSBLDDLDLDLDLDLDLDDLDLDDiS2cos2sincossin2coscos)(212sincos21cos)2sin21cos(sin)2sin21cos(]cos)(21sinsin[2211022222sin21cossinsin853sin1655sin161sin4cos812cos2183sin3sin41sin43sin2cos2121cos,2cos2121sin54322三角公式9一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试2、极轴翻滚试验（4）极轴翻滚测试方法与数据处理)(OWE)1(N)2(N)3(N)4(N)5(N)6(N)7(N)8(N极轴翻滚角度示意（陀螺O轴指向Np）翻滚角度特点：整周上分布均匀；从0度开始，为4的倍数。目的：利用对称性减小某些误差，或为后续数据处理提供方便。每个采样点测量方程)(...)2()1(,)(...)2()1(,,)(2cos)(2sin)(cos)(sin1)(),()(22110TnnYYYCSCSBkkkkkkiSkYNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNTNAAAAYXA简记则有NNNXAY10一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试2、极轴翻滚试验（4）极轴翻滚测试方法与数据处理从方程组求解的方法NNNXAYNXNNNNNYAAAXT1T)(~最小二乘解接下来，转台绕耳轴转180度，陀螺输出轴O朝南Sp时，陀螺各轴比力分析g陀螺OS)(ILLgcosLgsinpSpN由西向东看由极轴南向北看SSOSILggLggLggcoscossinsincosNSONILggLggLggcoscossinsincos对比O朝北Np时Lgcos陀螺IS)(OWESSLgcoscosSLgsincos11一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试2、极轴翻滚试验（4）极轴翻滚测试方法与数据处理同理，列写陀螺O轴指向Np时n次测量构成的方程组，求最小二乘解得SSSSSYAAAXT1T)(~每个采样点测量方程SSSSSSSSSSSSIISSISOSSSIOISSIIOOOFSTCSCSBLDDLDLDLDLDLDLDDLDLDDiS2cos2sincossin2coscos)(212sincos21cos)2sin21cos(sin)2sin21cos(cos)(21sinsin22110222212一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试2、极轴翻滚试验（4）极轴翻滚测试方法与数据处理T22110T22110~~SSSSSSNNNNNNCSCSBCSCSBXX综合得：NNNNNNNNNNSSIINSINOSSNIOISSIIOOOFNTCSCSBLDDLDLDLDLDLDLDDLDLDDiS2cos2sincossin2coscos)(212sincos21cos)2sin21cos(sin)2sin21cos(]cos)(21sinsin[221102222SSSSSSSSSSSSIISSISOSSSIOISSIIOOOFSTCSCSBLDDLDLDLDLDLDLDDLDLDDiS2cos2sincossin2coscos)(212sincos21cos)2sin21cos(sin)2sin21cos(]cos)(21sinsin[221102222)(cos1)(cos1),(2sin1),(2sin1)(cos21),(sin21),(cos21)(21cos)(21sin22222211111100110022SNSSIISNSISNOSSNIOSNSSNOSNISNSSIIOOFCCLDDSSLDCCLDSSLDCCLDSSLDSSLDBBLDDLDD13一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试2、极轴翻滚试验（5）极轴翻滚位置总结极轴翻滚O-NpO-Sp陀螺S轴垂直于转台台面S-NpS-Sp特点：陀螺I轴平行于转台台面，极轴翻滚过程中I垂直于极轴，始终不感受角速率。14一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试3、地理坐标位置翻滚试验特点：地理位置翻滚试验中，陀螺仪沿当地地理坐标系（ESWNUD）取向，每次只有陀螺仪的一个轴向（天向或地向）存在比力激励，因此无法求的交叉轴误差系数，只能估计出零次、一次及平方误差系数。ENUWSDIOS位置1中陀螺指向LIEcosLIEcosLIEcosLIEcos位置坐标取向（I,O,S）重力分量（I,O,S/g）1S,U,W0,1,02N,U,E0,1,03U,W,S1,0,04D,W,N-1,0,05N,W,U0,0,16S,W,D0,0,-17N,D,W0,-1,08S,D,E0,-1,0八位置地理位置翻滚试验15一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试3、地理坐标位置翻滚试验IE,LIEsinLIEsinLIEcosLIEcosLIEcosLIEcos位置坐标取向（I,O,S）重力分量（I,O,S/g）1S,U,W0,1,02N,U,E0,1,03U,W,S1,0,04D,W,N-1,0,05N,W,U0,0,16S,W,D0,0,-17N,D,W0,-1,08S,D,E0,-1,0八位置地理位置翻滚试验表列写测试方程：OOOFIETOOOFIETSSSFIETSSSFIETIIIFIETIIIFIETOOOFIETOOOFIETDDDLiSDDDLiSDDDLiSDDDLiSDDDLiSDDDLiSDDDLiSDDDLiScoscoscoscossinsincoscos87654321222,SSSOOOIIIISSISOOSOIIOSSOOIIFIETgDgDgDggDggDggDgDgDgDDiS16一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试3、地理坐标位置翻滚试验直接求解OOOFIETOOOFIETSSSFIETSSSFIETIIIFIETIIIFIETOOOFIETOOOFIETDDDLiSDDDLiSDDDLiSDDDLiSDDDLiSDDDLiSDDDLiSDDDLiScoscoscoscossinsincoscos87654321FTSSFTIITOOFIETSTOIETIDiiSDDiiSDiiiiSDDLiiSDiiiiSDLiiSD2/)(2/)(4/)(cos2/)(4/)(sin2/)(654387216587214317一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试4、固定位置综合漂移试验目的：用于确定陀螺仪一次启动随机漂移的稳定性，或逐次启动随机漂移的重复性。（1）一次启动随机漂移的稳定性测试方法将单自由度陀螺仪安装在固定基座上，一般情况下三轴IOS方位可以任意，但测试过程中基座始终固定不动。启动陀螺仪稳定后，每隔一定时间（如5min）记录一次电流数据，计算陀螺输出角速率，共采集n次角速率数据，统计标准差knkkn12)(1111nkkn其中。该试验反映了陀螺仪一次启动工作过程中随机漂移的稳定程度，它是陀螺仪精度的最重要性能指标之一。一般将试验时间在2~3h之内的漂移稳定性称为短期稳定性，而超过6h的称为长期稳定性。18一、陀螺仪静态误差的力矩反馈测试4、固定位置综合漂移试验（2）逐次启动随机漂移的